LES CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES, LES CHAMPS ÉLECTRIQUES ET MAGNÉTIQUES

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1 LES CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES, LES CHAMPS ÉLECTRIQUES ET MAGNÉTIQUES 1-1 Qu est-ce qu un champ électromagnétique? Le lecteur ne doit pas se laisser rebuter par le jargon utilisé parmi les techniciens spé cialisé s. P eu abordable à pre m i è re vue, il ne re q u i e rt cependant qu un minimum d attention pour pouvoir se familiariser avec les termes grâce auxquels on assimilera rapidement les données techniques, qu on pourra ensuite utiliser journellement en connaissance de cause. Des champs électriques et magnétiques existent dans le milieu naturel, même en dehors de toute activité humaine. Les êtres vivants émettent également des champs électriques et magnétiques. Avec les forces de la gravitation terrestre, ils représentent les forces fondamentales de la nature. La Terre peut être schématisée comme un gigantesque aimant pourvu d un pôle Nord et d un pôle Sud. Les molécules qui constituent les matières vivantes et non vivantes doivent leur structure et leur réactivité à des champs électriques. 19

2 Les messa ge s ou inform ations qui parc o u rent not re sys tè me nerveux impliquent des champs électriques et magnétiques circulant à l intérieur de notre corps. Le fonctionne ment de notre coe ur peut se contrôler par l enregistrement des signaux électriques que son système de commande émet (électrocardiogramme). Notr e cerveau émet aussi des signaux électriques, que l on peut enregistrer grâce à un électroencéphalographe. Des signaux magnétiques émis pa r le ce rveau pe uve nt être enre gistrés par un magnétoencéphalographe (système SQUID). Ces signaux soit électriques, soit magné tiques sont l expre ssion même de processus molé culaire s complexes ayant certaines parties du système nerveux pour zone d action. Il est également possible d enregistrer les signaux électriques émis par l estomac et les muscles. Il arrive qu en descendant de voiture, on reçoive un choc électrique, il provient de l électricité statique. Une étincelle apparaît au moment de la décharge ; celle-ci est la manifestation d un puissant champ électrique élaboré par l addition des multiples charges accumulées sur les sièges de voiture. Lorsque nous utilisons une boussole pour trouver le Nord, l aiguille s oriente sur le champ magnétique naturel continu de la Terre. Ce champ magnétique est créé par des charges électriques qui circulent dans les profondeurs de la planète. Quant aux systèmes de distributions de courant électrique, aux câbles conducteurs prése nts dans le s bât ime nts et aux a ppare i l s électroménagers raccordés au réseau, ils produisent des champs électriques et magnétiques de fréquence 50 Hz (en Europe) ou 60 Hz (aux U.S.A. et au Canada). Ce sont ces champs alternatifs de 50/60 Hz qui font l objet du présent ouvrage. D une manière très schématique, nous considérons qu un champ est une zone d influence. Ainsi, tout câble électrique est entouré d une sorte de nuage invisible, appelé «champ». Dans cette zone, des forces d interaction s exercent, plus ou moins importantes suivant qu on se tient proche ou éloigné du câble. Ce champ peut être dans certains cas, rendu perceptible : par exemple, si nous tenons à la main un tube luminescent sous une ligne à haute tension, celui-ci devient lumineux ; si nous sommes sous une ligne à très haute tension, nous percevons parfois des picotements aux extrémités des doigts et au sommet du crâne. Il s agit là, de deux manifestations des champs électriques. L int ensit é de s cham ps é lect riques et ma gné tiques pe ut être mesurée au moyen d appareils appropriés. En géné ra l, le s a ppareils de me sure de champs qui sont commercialisés actuellement permettent de mesurer, avec le même appareil de base, aussi bien les champs électriques que les champs magnétiques alternatifs. 1-2 Les champs électriques Les champs électriques sont constitués de charges élémentaires. Le s charge s éle ctriques élém entaires positives sont appelées protons et les charges électriques élémentaires négatives, électrons. Elles existent partout dans la nature et sont présentes dans tous les phénomènes c o n c e rnés par l électric ité. Les charges positives at tirent les c harg e s négatives et réciproquement. Signalons que, dans l eau, les charges positives ont une grande importance : il s agit d ions hydrogène (H+). La quantité d ions hydrogène présents dans une solution aqueuse varie en fonction de l acidité ou de l alcalinité d une solution et les définit

3 Un simple atome de mat ière pe ut contenir plusieurs charg e s élémentaires de protons et d électrons. Chaque charge est entourée d une zone d influence appelée champ électrique. Ce champ véhicule des forces d une charge vers une autre. La notion de «champ de force électrique» peut paraître mystérieuse à première vue, mais elle ne l est guère plus que celle de gravitation, établie au dix-huitième siècle par Isaac Newton. Autour d une masse (la terre, une planète, une étoile ou notre corps) existe une zone d influence appelée champ gravitationnel. Tous les objets sont attirés par la terre, par la masse de la planète Terre (attraction terrestre). Analogiquement parlant, si une charge électrique positive attire à distance les charges électriques négatives et repousse d autres charges électriques positives, c est en raison de son champ électrique (fig. 4). Autrement dit, les champs électriques représentent les forces que les charges électriques exercent à distance sur d autres charges et parce qu elles sont chargées électriquement. La charge électrique totale présente sur un objet implique sa tension (voltage). En général, plus la tension (voltage) d un objet est élevée, plus il porte de charges. Chaque charge élémentaire crée son propr e champ électrique. Ces champs électriques individuels s additionnent et agissent comme un champ unique. FIG. 1 : APPAREIL HOLADAY HI-3604 EN POSITION DE MESURE DES CHAMPS MAGNÉTIQUES. Comme les objets à haute tension (voltage élevé) portent beaucoup de charges, ils engendrent des champs électriques plus puissants. Les systèmes de transport de courant électrique et les appareils connectés au réseau de distribution produisent des champs électriques, parce que les charges sont «pompées» dans les câbles par les générateurs de courant et les postes de transformation. FIG. 2 : APPAREIL HOLADAY HI-3604 SUR TRÉPIED (MESURE DES CHAMPS ÉLECTRIQUES) 22 23

4 1-3 Les champs magnétiques Lorsque les charges se meuvent, elles créent l une vis à vis de l autre des forces additionnelles. Ces forces additionnelles sont véhiculées à travers l espace par des champs magnétiques. Un champ magnétique représente les forces qu une charge exerce sur les autr es charges en mouvement, parce qu elles sont en mouvement. Les champs magnétiques ne sont créés que par des charges en mouvement et n exercent des forces que sur des courants ou sur des charges elles-mêmes en mouvement. Nous avons comparé ci-dessus la force qu exerce un champ électrique sur une charge, à la force que le champ gravitationnel exerce sur une masse telle une pierre ou notre corps. Les champs magnétiques seraient en quelque sorte assimilés à un champ gravitationnel qui existerait lorsqu il y a mouvement. Une charge immobile n est pas concernée par le champ magnétique. Un cham p m agné tique variab le peut p ro d u i re u n cham p électrique variable. Dans certains cas, ce champ électrique peut-être suffisant pour avoir un effet manifeste sur des charges immobiles. FIG. 3 : APPAREIL «ELECTRIC FIELD MEASUREMENT» CÂBLÉ EN APPAREIL DE MESURE DES CHAMPS ÉLECTRIQUES. Un ensemble de charges se mouvant dans la même direction, constitue un courant électrique et plus il y a de charges en mouvement, plus le courant est intense. (= Amp ou A). L inte nsité d un c ourant é lec trique se mesure e n ampères FIG. 4 : ATTRACTIONS ET RÉPULSIONS DE CHARGES ÉLECTRIQUES. Tout courant électrique produit un champ magnétique. Plus l intensité d un courant électrique est élevée, plus le champ magnétique produit est élevé! 24 25

5 conducteurs. Les matériaux qui conduisent facilement le courant sont appelés Les matériaux qui ne conduisent pas bien le courant sont appelés isolants ou diélectriques. Ce sont les charges négatives, les électrons, qui circulent, mais, par souci de clarté et pour respecter la convention des techniciens on emploiera ici l expression habituelle «le courant s écoule». Ainsi, on dira que dans les conducteurs, les courants s écoulent à partir d endroits où règne un haut voltage, vers des endroits où règnent des voltages plus bas. Un courant électrique s écoule donc uniquement dans la mesure où il existe une différence de potentiel (exprimée en Volts) entre les bornes du générateur qui produit la tension et un consommateur d énergie électrique. C est ainsi qu un courant électrique continu s écoulera de la borne + (potentiel conventionnelleme nt plus é le vé) vers la borne - ( pote ntiel conventionnelleme nt = 0) dans un câble reliant une bat terie a un consommateur électrique. Cer tains expriment la différence de potentiel aux bornes d un générate ur par «Vo l t a g e» mais il est plus e xact d utiliser le terme «Te n s i o n». Ainsi, on parlera de la t ension du rése au de distribution domestique de 110, 230 ou 380 Volts alternatif 50 Hertz ou 60 Hertz, selon le cas. Champ électrique: L intensité d un champ électrique s exprime en Volts par mètre (V/m). Lorsque le champ électrique est plus important, auprès d une ligne à très hautes tension, par exemple, on le mesure en kilovolts par mètre (kv/m). 1 kv/m = V/m Champ magnétique: On utilise plusieurs systèmes d unités pour exprimer les intensités de champs magnétiques à savoir : le Gauss, ses multiples et sous-multiples ; le Tesla, ses multiples et sous-multiples ; l Ampère par mètre (A/m), ses multiples et sous-multiples ; 1 Gauss = milligauss (= mg) 1 Tesla = millitesla (= mt) = microtesla ( µt) 1 µt = 1 millionième de tesla 1 mt = 1 millième de tesla 1 Tesla = 10 9 nanotesla (10 9 nt) 1 A/m = milliampères/m (1.000 ma/m) 1-4 Les systèmes d unités de mesures Il n est pas plus compliqué de mesurer des champs électriques et magnétiques que de peser les ingrédients d une recette de cuisine ou de calculer une distance à parcourir sur une carte routière en utilisant l échelle. Il suffit d abord de maîtriser les termes et les équivalences des systèmes d unités de mesure. Il est possible de passer d un système d unités à l autre grâce aux schémas de conversion suivants : 1 mg = 0,1 µt = 80 ma/m 10 mg = 1 µt 1 A/m = 12,5 mg 1 mg = 100 nt 1 mt = µt = mg = 10 G 26 27

6 En Eur ope, les scientifiques et les industriels de l électricité utilisent généralement l échelle en microtesla (µt), l expression en miligauss (mg) utilisée au U.S.A., nous paraît la plus adéquate, car c est l unité de mesure qui permet le mieux de cerner l évaluation des risques, sans devoir faire appel à des valeurs décimales. Représentation dans un plan des lignes de champs électriques entre une charge positive et une charge négative 1 mg = 0,1 µt = 80 ma/m 1 mt = mg = 10 Gauss Puisque les charges en mouvement et des courants électriques exist ent dans la nat ure, les champs magné tiques naturels y existent également. FIG.5 : LES CHAMPS LES PLUS PUISSANTS SE TROUVENT LÀ OÙ LES LIGNES DE FORCE SONT LES PLUS RAPPROCHÉES LES UNES DES AUTRES. Il ne faut cependant pas confondre le champ magnétique continu naturel, existant à la surface de la terre, avec les champs magnétiques alternatifs artificiels. Le champ magnétique de la Terre, qui oriente l aiguille aimantée d une boussole dans la direction Nord-Sud, est produit par le flux de charges et de courants électriques se propageant au sein de notre planète. Ce champ continu a une valeur comprise entre 400 et 700 mg (40 à 70µT) selon l endroit de la terre où l on se trouve. Des fluctuations de ces valeurs peuvent parfois être enregistrées en un endroit précis, suivant le moment. Il exist e égale ment sur la Te rre, des c hamps magnétique s alternatifs naturels : leur valeur est comprise entre 0,013 et 0,015 mg (0,0013 et 0,0015 µt). Si un courant électrique s écoule de la borne + (potentiel plus élevé) vers la borne - (potentiel = 0) dans un câble reliant une batterie à un consommateur électrique et que l aiguille de la boussole placée sur ce câble dévie, c est parce qu il se produit un champ magnétique continu au départ de celui-ci. FIG. 6 : SI UNE CHARGE EST PLACÉE DANS UN CHAMP ÉLECTRIQUE, ELLE SUBIT UNE FORCE. LA DIRECTION DE CELLE-CI EST PARALLÈLE À LA LIGNE DE CHAMP ET SA GRANDEUR EST FONCTION DE L ENDROIT QUE CETTE CHARGE OCCUPE PARMI LES LIGNES DE CHAMP. F = FORCE V = DIRECTION DE LA FORCE MAGNÉTIQUE EXERCÉE SUR LA PARTICULE